Редкоземельный оксид бария и меди
Редкоземельный оксид бария и меди ( ReBCO [1] ) — семейство химических соединений, известных своей высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). [2] Сверхпроводники ReBCO способны выдерживать более сильные магнитные поля, чем другие сверхпроводниковые материалы. Благодаря высокой критической температуре и критическому магнитному полю этот класс материалов предлагается использовать в технических приложениях, где обычных низкотемпературных сверхпроводников недостаточно. Сюда входят с магнитным удержанием, термоядерные реакторы такие как реактор ARC , позволяющие создать более компактную и потенциально более экономичную конструкцию. [3] и сверхпроводящие магниты для использования в будущих ускорителях частиц , которые появятся после Большого адронного коллайдера , в котором используются низкотемпературные сверхпроводники. [4] [5]
Материалы
[ редактировать ]любой редкоземельный элемент В ReBCO можно использовать ; популярные варианты включают иттрий ( YBCO ), лантан ( LBCO ), самарий (Sm123), [6] неодим (Nd123 и Nd422), [7] гадолиний (Gd123) и европий (Eu123), [8] где цифры в скобках указывают молярное соотношение редкоземельных элементов, бария и меди.
ЯБКО
[ редактировать ]
Самый известный ReBCO — оксид иттрия-бария-меди , YBa 2 Cu 3 O 7-x (или Y123), первый обнаруженный сверхпроводник с критической температурой выше точки кипения жидкого азота . [10] Его мольное соотношение составляет 1:2:3 для иттрия, бария и меди, и он имеет элементарную ячейку , состоящую из субъединиц, что является типичной структурой перовскитов . В частности, субъединиц три, они перекрываются и содержат атом иттрия в центре средней и атом бария в центре остальных. Поэтому иттрий и барий укладываются в соответствии с последовательностью [Ba-Y-Ba] вдоль оси, условно обозначенной с , (вертикальное направление на рисунке справа).
Полученная ячейка имеет ромбическую структуру , в отличие от других сверхпроводящих купратов , которые обычно имеют тетрагональную структуру . Все угловые позиции элементарной ячейки заняты медью, имеющей две разные координаты Cu(1) и Cu(2) относительно кислорода. Он предлагает четыре возможных кристаллографических места кислорода: O (1), O (2), O (3) и O (4). [11]
История
[ редактировать ]Поскольку эти материалы хрупкие, из них было сложно создавать провода. После 2010 года промышленные производители начали выпускать ленты, [12] с различными слоями, инкапсулирующими материал ReBCO, [13] открывая путь к коммерческому использованию.
В сентябре 2021 года компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) создала тестовый магнит с лентой ReBCO, который выдерживал ток 40 000 ампер магнитное поле 20 тесла при 20 К. и [14] [15] Одним из важных нововведений было отсутствие изоляции ленты, что позволило сэкономить место и снизить необходимое напряжение. Другим был размер магнита: 10 тонн, что намного больше, чем в любом предыдущем эксперименте. Магнитный узел состоял из 16 пластин, называемых блинами, каждая из которых имела спиральную намотку ленты с одной стороны и охлаждающие каналы с другой. [16]
В 2023 году Национальная лаборатория сильных магнитных полей произвела силу в 32 тесла с помощью сверхпроводящего магнита ReBCO. [17] [18] Сверхпроводящий магнит 40 Тл находится в стадии разработки.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джа, Алок К.; Мацумото, Канаме (2019). «Сверхпроводящие тонкие пленки REBCO и их нанокомпозиты: роль оксидов редкоземельных элементов в продвижении устойчивой энергетики» . Границы в физике . 7 : 82. Бибкод : 2019FrP.....7...82J . дои : 10.3389/fphy.2019.00082 . ISSN 2296-424X .
- ^ Фиск, З.; Томпсон, доктор медицинских наук; Цирнгебль, Э.; Смит, Дж. Л.; Чеонг, Юв. (июнь 1987 г.). «Сверхпроводимость редкоземельных оксидов бария-меди» . Твердотельные коммуникации . 62 (11): 743–744. Бибкод : 1987SSCom..62..743F . дои : 10.1016/0038-1098(87)90038-X .
- ^ «Новые сверхпроводники вселяют надежду на быстрое создание компактного термоядерного реактора» . Инженер . 14 августа 2015 года . Проверено 21 июня 2020 г.
- ^ «До 20 Тесла и выше: высокотемпературные сверхпроводники» . ЦЕРН . Проверено 5 ноября 2021 г.
- ^ ван Нугтерен, Дж.; Кирби, Г.; Муртомаки, Яакко Самуэль. «К диполям REBCO 20T+ для ускорителей» . Исследовательские ворота . Г. де Рейк, Л. Росси и А. Стенваль.
- ^ Касуга, К.; Муралидхар, М.; Дико, П. (01 января 2016 г.). «СЭМ и СЭМ с помощью EDX-анализа SmBa2Cu3Oy, обработанного воздухом» . Процессия по физике . 81 : 41–44. Бибкод : 2016PhPro..81...41K . дои : 10.1016/j.phpro.2016.04.018 .
- ^ Хари Бабу, Н.; Низкий.; Кардвелл, Д.А. (8 ноября 1999 г.). «Необратимое поведение NdBaCuO, полученного путем обработки расплава с затравкой» . Письма по прикладной физике . 75 (19): 2981–2983. Бибкод : 1999ApPhL..75.2981H . дои : 10.1063/1.125208 . Проверено 12 октября 2021 г.
- ^ Мураками, М.; Сакаи, Н.; Хигучи, Т.; Йо, СИ (1996). «Переработанный в расплаве легкий редкоземельный элемент — Ba — Cu — O» . Сверхпроводниковая наука и технология . 9 (12): 1015–1032. дои : 10.1088/0953-2048/12.09.001 . S2CID 250762176 . Проверено 12 октября 2021 г.
- ^ Коблишка-Венева, Анжела; Коблишка, Майкл Р.; Бергер, Кевин; Нуайетас, Квентин; Дуин, Бруно; Муралидхар, Мирьяла; Мураками, Масато (август 2019 г.). «Сравнение температурных и полевых зависимостей критических плотностей тока объемных YBCO, MgB₂ и сверхпроводников на основе железа» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 29 (5): 1–5. Бибкод : 2019ITAS...2900932K . дои : 10.1109/TASC.2019.2900932 . ISSN 1558-2515 . S2CID 94789535 .
- ^ Ву, МК (1987). «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединений Y-Ba-Cu-O при атмосферном давлении» (PDF) . Письма о физических отзывах . 58 (9). Дж. Р. Эшберн, К. Дж. Торнг, П. Х. Хор, Р. Л. Мэн, Л. Гао, З. Дж. Хуанг, Ю. К. Ван и др. К. В. Чу: 908–910. Бибкод : 1987PhRvL..58..908W . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.908 . ПМИД 10035069 . S2CID 18428336 .
- ^ Хазен, РМ; Палец, LW; Ангел, Р.Дж.; Превитт, Коннектикут; Росс, Нидерланды; Мао, Гонконг; Хадидиакос, КГ; Хор, PH; Мэн, РЛ; Чу, CW (1 мая 1987 г.). «Кристаллографическое описание фаз в сверхпроводнике Y-Ba-Cu-O» . Физический обзор B . 35 (13): 7238–7241. Бибкод : 1987PhRvB..35.7238H . дои : 10.1103/PhysRevB.35.7238 . ПМИД 9941012 .
- ^ «Высокотемпературная сверхпроводящая лента ReBCO» . www.fusionenergybase.com . Проверено 5 ноября 2021 г.
- ^ Барт, Кристиан; Мондонико, Джорджо (2015). «Электромеханические свойства проводников с покрытием ReBCO различных промышленных производителей при 77 К, собственное поле и 4,2 К, 19 Тл» . Сверхпроводниковая наука и технология . 28 (4): 045011. arXiv : 1502.06713 . Бибкод : 2015SuScT..28d5011B . дои : 10.1088/0953-2048/28/4/045011 . S2CID 118673085 .
- ^ «Эни и термоядерные системы Содружества» . www.eni.com . Проверено 2 декабря 2021 г.
- ^ «MIT увеличивает силу 10-тонного магнита до 20 Тесла в качестве доказательства концепции коммерческого термоядерного синтеза — ANS/Nuclear Newswire» . www.ans.org . Проверено 2 декабря 2021 г.
- ^ «Испытания показывают, что высокотемпературные сверхпроводящие магниты готовы к термоядерному синтезу» . Новости Массачусетского технологического института | Массачусетский технологический институт . 04.03.2024 . Проверено 2 апреля 2024 г.
- ^ Холл, Хизер (3 июля 2023 г.). «Победитель дня в рейтинге R&D 100: сверхпроводящий магнит 32 Тесла» . Журнал НИОКР . Проверено 13 июля 2023 г.
- ^ «Знакомьтесь, сверхпроводящий магнит на 32 Тесла» . Национальная лаборатория сильных магнитных полей . 21 марта 2023 г. . Проверено 13 июля 2023 г.